1、湖南大学硕士学位论文纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究姓名：李志强申请学位级别：硕士专业：车辆工程指导教师：钟勇20070420硕士学位论文 I 摘 要 电动汽车以电能为能源，具有零排放无污染的突出优点，开发前景十分广阔。 驱动电机及其控制系统是电动汽车动力系统中的核心部分。电动汽车用交流电机的直接转矩控制是电机高性能交流变频调速的新技术之一。 本论文以电动汽车用交流电机驱动系统为研究对象，将直接转矩控制思想运用于电动汽车驱动系统。为了降低成本并且提高整个系统的可靠性，将电动汽车电机控制器和整车控制器集成到一起即电机及整车总成控制器。 根据电动汽车所要达到的性能指标，分析了电
2、动汽车驱动系统的特点，对各种驱动电机进行了比较。讨论了交流调速技术的发展和现状，采用空间电压矢量方法分析了直接转矩控制的基本原理结构及其算法。 详细分析了交流异步电机系统的工作原理， 建立了交流异步电机及其控制系统的数学模型；然后在此基础之上分析了交流异步电机直接转矩控制的实现方法，介绍了直接转矩控制系统的关键参量定子磁链空间矢量的控制方式及其实现办法。并为获得良好的控制效果形成闭环控制系统，引入了磁链与转矩观测模型。最后建立了异步电机直接转矩控制系统模型并成功地进行了整个模型的仿真且得到了期望的结果。根据整车动力学原理，建立了整车动力学模型，最后完成了电机模型和整车动力学模型的联合仿真。 设
3、计了基于CAN总线的电动汽车整车网络，并制订了整车CAN总线通讯协议。主控芯片选用美国TI公司生产的面向电机控制的DSP芯片TMS320LF2407。整个硬件系统是以TMS320LF2407型DSP为核心的弱电电路和以IPM模块为主的强电电路所组成。设计完成了档位检测模块、踏板位置检测模块、输出控制模块和通讯模块等。 介绍了再生制动的概念，讨论了再生制动的重要性，尤其是在城市工况下，通过对频繁制动过程中制动能量的回收，既减少了机械摩擦制动系统的损耗，又实现了能量的重新利用。分析了再生制动的特性，设计了实现再生制动的方案，包括如何进行电制动和机械制动的合理分配。最后采用了模糊逻辑控制理论来优化制
4、动能量回收策略。 介绍了嵌入式操作系统C/OS-II，完成了嵌入式操作系统C/OS-II 在DSP2407 上的移植。在完成上面的工作后，进行了基于嵌入式操作系统C/OS-II平台上的任务的制定。最后完成软、硬件离线方式下的测试。 关键词关键词:直接转矩控制；DSP2407；IPM；模糊控制；嵌入式操作系统 纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 II Abstract The EV uses the Electric energy as the power and has the advantage of no emission. The application of EV w
5、ill have a good prospect in the future. The controlling technology of driving motor is core of EV power system. It is one of the new technologies by using direct torque controlling method to control the AC motor in which is used in the EV. AC motor driving system is taken as the research object. The
6、 direct torque controlling method is applied in the EV AC motor driving system. The AC motor controller and EV controller are integrated into one in order to reduce the cost and improve the reliability. The character of all of the EV AC motor driving system is analyzed and the direct torque controll
7、ing method is compared with others according to the EV requirements. The current and future development of AC motor controlling technology and the theory construction and algorithm by using the space voltage vector method are discussed. The working theory of the AC motor are analyzed and set up the
8、model of AC motor with controlling system. The model of AC motor direct torque controlling according to the foundation of previous analysis are realized. Introduce the critical parameter of magnetic linkage controlling and its realization method. The model to observe magnetic linkage and torque are
9、used in order to obtain the perfect closed loop controlling effect. At last The AC motor direct torque controlling model are set up and the simulation are done and the expected result are reached. The vehicle model is set up according to the vehicle force formual. At last simiulation of two models a
10、re finished. The CAN bus in the EV and the protocol of CAN communication are designed. The American TI companys DSP TMS320LF2407 is selected as the controller. The whole circuit can be divided into two parts. One part is the core circuit which uses the TMS320LF2407. The other one use the IMP to driv
11、e the high voltage section. The whole circuit can complete sampling the position of shift、sampling the position of the pedal、output controlling variables and communication part and so on. The recycling energy strategy is introduced. The importance of recycling energy is discussed especially in the c
12、ity situation. It can decrease the lose of mechanical braking system and use the energy again through recycling the energy in the braking process. The character of the recycling is analyzed and the plan of recycling is 硕士学位论文 III designed. It includes that the motor braking and mechanical braking ar
13、e rationally allocated. At last the recycling system is optimized by using the fuzzy controlling method. The embed system C/OS-II is introduced; the transplant in the DSP2407 is finished. After the previous work is finished, all the task design is finished. At the end, the software testing in the ha
14、rdware in loop method is finished. Key Words: Direct Torque Control；DSP2407；IPM；Fuzzy control；Embed System 湖湖 南南 大大 学学 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授
15、权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日硕士学位论文 1 第 1 章 绪 论 本文整个研究工作是紧紧围绕电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发来进行的。文中论述了电动汽车的研发背
16、景和目的，并且讨论了车用交流异步电机的特殊要求。分析了直接转矩控制的思想，建立了电机直接转矩控制模型和整车动力学模型并进行了联合仿真。设计了电机及整车总成控制器和整车CAN网络，并讨论了再生制动控制策略。最后完成了基于嵌入式操作系统平台的软件开发和测试。本章着重论述了选题的重要性以及国内外的研究情况。 1.1 本文研究的背景和意义 随着科学技术和经济高速发展的 21 世纪的到来，汽车在促进经济发展和社会进步中扮演着重要角色，它的出现极大地改变了人们的生活。汽车工业已经成为当今世界最大最重要的工业部门之一，成为世界上许多国家的支柱产业，在人类的经济生活中发挥着举足轻重的作用1。但人类在享受汽车文
17、明的同时也必须面对汽车造成的负面影响：环境污染和能源过度消耗。 当今世界汽车保有量已超过 6 亿辆，每年向大气层排放 2 亿吨有害气体，占大气污染总量的 60以上，是公认的污染大气层的“杀手”。根据国家环保中心预测 2010 年汽车尾气排放量将占空气污染源的 64。2002 年，中国石油净进口量直逼 7000 万吨大关， 预计到 2005 年， 中国石油进口量将达到 1 亿吨， 2030 年，中国的石油日净进口量将从现在每天不足 2 百万桶增加到每天 980 万桶。因此，从根本上解决汽车能源与污染问题，对我国汽车工业未来的发展和能源安全、环境保护以及整个社会的可持续发展都有着重要的作用2。 上
18、个世纪开始，世界上著名的汽车公司都开始对电动汽车的研制投入力量。纯电动汽车、燃料电池车和混合电动汽车成为各科研机构和汽车厂家争相研究的对象。绿色环保车辆的概念正深入人心。这些新型环保车辆很多都从根本上解决了污染问题，得到了全世界的关注34。 以解决环保需求与能源危机问题为出发点，纯电动汽车的发展受到全球广泛关注。纯电动汽车的推广应用可以有效地减少汽车尾气和城市噪音，显著改善环境，节约日益枯竭的石油资源。当今，对纯电动汽车的研究已经成为全世界高新技术的研究开发热点之一，并且被列入我国863计划的重点项目5。目前， 纯电动汽车与燃油汽车相比，无论在运行性能和使用成本上，都无法和燃油汽车相竞争。一方
19、面，纯电动汽车的加速性能和最高时速都不及燃油汽车；另一方面，与燃油汽车相比，纯电动汽车成本较高，续驶里程短，充电或更换电池不方便。如何解纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 2 决纯电动汽车上述缺点，是当前纯电动汽车研究的重点6。 中国的传统汽车产业一直落后于国外发达国家。现阶段，中国的汽车产业基本上是采用外国先进技术。发展新型环保汽车，这给中国汽车行业立足于世界汽车行业提供了一个非常好的契机7。中国目前非常重视这项被称为 21 世纪科技研究之重的产业，争取能利用这个契机使自己在汽车领域占有一席之地。因此，对纯电动汽车的研究是完全必要和迫切的。 1.2 电动车驱动系统简述 电动
20、汽车实现零排放，能有效地避免空气污染。电动汽车在车辆性能方面也具有优势：电动汽车的转矩响应迅速、加速快；电机可分散配置，可直接控制车轮转速，易实现四轮独立驱动和四轮转向。由于信息技术和控制技术的广泛应用，电动汽车的安全性和可靠性大幅提高89。 电动汽车显示出的优越性和具有强大的竞争力使之成为21世纪各国政府大力支持发展的交通工具。 电动汽车配备电池高压系统，使用电动机通过传动系统驱动车辆行驶。正常行驶时，由电池系统提供电力驱动电动机。电动汽车在制动、滑行等状态时，电机进行发电，对电池系统进行充电。驱动系统由驱动电机及电机和整车总控制器组成。电机和整车总控制器采集档位、油门踏板信号、制动踏板信号
21、，经过控制算法输出PWM信号给功率变换器来驱动电动机运转10。 1.2.1 电动汽车对车用驱动电机的要求 电动汽车在运行过程中频繁起动和加减速操作，对驱动系统的要求是很高的。具体有如下要求： 1.电动汽车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强(过载3-4倍)、加速性能好，使用寿命长的特点。 2.电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足汽车在平坦的路面能够高速行驶的要求。 3.电动汽车用电动机应能够在汽车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回电池，使得电动汽车具有最佳能量
22、的利用率。 4.电动汽车用电动机应在整个运行范围内，具有较高的效率，以提高一次充电的续驶里程。另外还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期 工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等11。 1.2.2 各种车用驱动电机的性能比较 电动汽车在研究开发中存在的关键问题主要有两个：即高性能电池的开发和硕士学位论文 3 高性能电机驱动系统的开发。目前已开发的高性能电机品种很多，从各种资料来看，主要有直流电动机、交流感应电动机、无刷直流电机以及开关磁阻电机。电动汽车用电机逐渐由直流电机向交流电机发展，直流电动机基本上已经被交流电动机、永磁电动机或开关磁阻电动机所
23、取代。直流电机结构简单，技术成熟，具有交流电动机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性。但是，直流电动机价格高、体积和质量大，在电动汽车上的应用受到了限制。 感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机。它的调速控制技术比较成熟，具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点。其控制技术主要有V/F控制、转差频率控制、矢量控制和直接转矩控制(DTC)。在20世纪90年代以前，主要以PWM方式实现V/F控制和转差频率控制， 但因转速控制范围小， 转矩特性不理想。 因此不适合频繁起动、加减速的电动汽车。近几年来，由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量
24、控制和直接转矩控制。矢量控制有最大效率控制和无速度传感器矢量控制:前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化，从而使电动机的损耗最小、效率最大；后者是利用电动机电压、电流和电动机参数来估算出速度，不用速度传感器，从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的思想，把转子磁通定向变换为定子磁通定向，通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角，从而达到控制转矩的目的12。由于直接转矩的控制手段直接、 结构简单、 控制性能优良和动态响应迅速， 因此非常适合电动汽车的控制。 1.2.3 交流电机控制系统发展现状和前景 1.2.3.1 交流电机的控制方法的
25、发展 （1）恒定压频比控制方式，它根据异步电机等效电路进行变频调速。其特点是：控制电路结构简单、成本较低。电压是指基波的有效值，改变电压只能调节电动机的稳态磁通和转矩，而不能进行动态控制。控制曲线会随负载的变化而变化，转矩响应慢、电机转矩利用率不高。 （2） 矢量控制方式。 交流传动控制理论及实践终于在70年代取得了突破性的进展，即出现了矢量控制技术。其实质是将交流电动机等效为直流电动机，分别对速度、磁场两个分量进行独立控制。通过控制转子磁链，以转子磁通定向，然后分解定子电流而获得转矩和磁场两个分量，经坐标变换，实现正交或解耦控制。这样，通过坐标变换重建的电动机模型就可以等效为一台直流电动机。
26、矢量控制的方法实现了异步电机磁通和转矩的解耦控制，使交流传动系统的动态特性得到了显著的改善，开创了交流传动的新纪元。然而，在实际系统中，由于转子磁链难以准确观测，以及矢量旋转变换的复杂性，使得实际的控制效果不如理论分析的好。这是矢量控制技术在实践上的不足之处。交流传动领域的专家学者也都针对矢量纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 4 控制上的缺陷做过许多研究，诸如进行参数辨识以及使用状态观测器等现代控制理论，但是这些方案的引入使系统更加复杂，控制的实时性和可靠性降低13。 （3）直接转矩控制方式。直接转矩控制是近年来继矢量控制变频调速技术之后发展起来的一种新型的具有高性能的交流
27、变频调速技术。1985年德国鲁尔大学Depenbrock教授首次提出了直接转矩控制的理论，接着1987年把它推广到弱磁调速范围。这种控制方式是使定子磁链依照正六边形轨迹运动，由于正六边形的六条边分别与六个非零电压空间矢量对应，因此可以通过三个施密特触发器来简单切换逆变器的六个工作状态，直接通过六个非零电压空间矢量实现磁链轨迹控制。与其它方式相比，这种控制方式结构简单，在输出同样的频率时元件开关次数最少，开关损耗也小，因而在要求元件开关频率不能太高的大功率场合得到广泛应用。由于在这种方法中定子磁链是按照六边形轨迹运动的，故电压、电流波形畸变比较严重，低速时转矩脉动较大，会在一定程度上限制直接转矩
28、控制的性能发挥。直接转矩控制的另一种形式是由日本学者Takahashi提出的，是一种定子磁链运动轨迹近似为圆形的控制方案。这种方法通过实时计算电机转矩和磁链的误差，结合电机定子磁链的空间位置来选择相应的开关矢量。由于磁链运动轨迹近似为圆形，电压、电流中的谐波含量在一定程度上减少了，但控制系统显得复杂一些，这种控制方式能充分发挥新型电力电子器件的开关频率优势，因而在中小功率场合获得广泛应用14。 直接转矩控制相对于其它控制具有以下特点： （1）直接转矩控制直接在定子坐标系下分析交流电动机的数学模型，控制电动机的磁链和转矩。因此它省掉了矢量旋转变化等复杂的变换与计算，信号处理工作特别简单，易于实现
29、实时控制。 （2）直接转矩控制磁场定向所用的是定子磁链，而矢量控制磁场定向所用的是转子磁链，定子磁链的观测模型要比转子磁链的观测模型简单得多，而且受电机参数变化的影响较小。 （3）直接转矩控制采用空间矢量的概念来分析三相交流电动机的数学模型和控制其各物理量，使问题变得特别简单明了。 （4）直接转矩控制强调的是转矩的直接控制与效果。它包含有两层意思，直接控制转矩和对转矩的直接控制。直接转矩控制从控制转矩的角度出发，它强调的是转矩的直接控制效果，因而它采用离散的电压状态和六边形磁链轨迹或近似圆形磁链轨迹的概念。而对转矩的直接控制是指利用直接转矩控制技术对转矩实行直接控制。其控制方式是，通过转矩两点
30、式调节器把转矩检测值与转矩给定值作滞环比较，把转矩波动限制在一定容差范围内，容差的大小由频率调节器控制。因此它的控制效果取决于转矩的实际状况。它的控制既直接又简化。对转矩的这种直接控制方式也称之为“直接自控制”。这种“直接自控制”的思想不仅用于转硕士学位论文 5 矩控制，也用于磁链量的控制和磁链自控制，但以转矩为中心来进行综合控制15。 1.2.3.2 交流电机的直接转矩控制发展现状 直接转矩控制方案经过近二十年的发展，各方面性能都在不断提高，并己进入到实用阶段，国外目前己成功应用于大功率高速电力机车、地铁和城市有轨电车等主传动系统中。其中穿越英吉利海峡的高速列车采用的就是直接转矩控制系统。德
31、国和日本在这方面的研究居于领先地位16。但是直接转矩控制作为一种诞生不久的新理论、新技术，又有其不完善、不成熟之处，有些问题甚至成为它发展难以逾越的障碍。正是由于以上原因，直接转矩控制技术成为当今世界范围内交流调速控制技术研究的重点。下面介绍直接转矩控制技术的几个研究热点问题： （1）定子磁链补偿和定子电阻辨识 传统的直接转矩控制系统中，磁链的计算要用到定子电阻，在中高速时，如果忽略定子电阻,对计算结果影响不大， 系统仍具有很高的控制精度。 但在低速时，定子电阻上的压降分量比重很大，忽略定子电阻或认为是常数将使所计算的磁链幅值、相位偏差很大。因此，如果能对定子电阻进行在线辨识，就可以从根本上消
32、除定子电阻变化带来的影响。直接的思路是从电机的数学模型出发，经过各种数学变换和运算，计算出定子电阻。从求解过程看，此方法的弊病在于要用到较多的电机参数，还需要引入转子电阻值，对参数的依赖性较大，而且实现比较复杂。其它的方法有模型参考自适应方法MRAS（model refrence adaptive system）、卡尔曼滤波器算法、神经网络以及用模糊理论构造在线观测器对定子电阻进行补偿，目前这些研究的仿真结果表明在线辨识是一个可行而有效的途径，但尚无满意的解决方案。 （2）转速辨识 在速度检测方面，传统的控制系统要求有速度传感器，存在成本高、安装维护困难、系统易受干扰、可靠性降低、不适于恶劣环
33、境等弊端。因而如果能在线进行转速辨识，速度传感器的问题也就解决了。现有方案一般是从定子磁通和转子磁通之间的关系入手，推导出简单的转速估算公式，仅需知道定子电压和电流就可计算转速。但这只适用于中高速以及系统动态速度性能要求不高的场合。使用卡尔曼滤波用于估算电机转速，仍是十分有力的工具。实验表明，转速估算值与实际值非常接近，既使在极低速情况下，估算误差仍很小，但随电机参数变化而变大，需要考虑温度对参数的影响，应用受到限制。另外还有学者从电机的非理想特性出发，采用齿谐波信号、饱和凸极检测等方法来实现对速度的辨识。 （3）低速区存在的其它问题 低速时转矩脉动、死区效应和开关频率的问题也比较突出。当控制
34、系统用全数字化实现时，采样周期是固定的，在一个采样周期内，转矩的增加量和减少量纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 6 是不同的，于是产生低频锯齿波分量，它在低速时的频率较低，幅值很大，影响系统低速性能。 （4）磁链调节和转矩调节的细化改进 直接转矩控制根据磁链调节器和转矩调节器的输出选取空间电压矢量，不同的电压矢量对磁链、转矩有不同的作用。传统的直接转矩控制磁链调节器、转矩调节器均为单滞环控制，即只有一个容差。国内有学者提出双滞环调节器理论即每个滞环有两个容差，磁链、转矩偏差情况被细化，可据此选取相应的电压矢量。偏差越细化，电压矢量的作用越精确，这样，不仅改善了直接转矩控制系
35、统的动静态特性，也减小了磁链、转矩的脉动。 （5）智能开关状态选择器的研究 磁链调节和转矩调节由容差决定，容差本身是一个难于控制的模糊量。有学 者提出模糊开关状态选择器的概念，选择器的输入为转矩误差、磁链误差和磁通 角的模糊量。 1.2.3.3 交流电机的直接转矩控制发展前景 直接转矩控制的发展得益于现代科学技术的进步。现代控制理论和智能控制 理论是人们改进直接转矩控制系统最主要的理论依据；高性能的数字信号处理器和众多新型器件的出现，则为改进直接转矩控制系统提供了强大的物质基础。现在，人们对直接转矩控制系统的研究往往还是从改善系统某些性能出发，对所用的理论思想进行部分的改进。也就是说，整个领域
36、的研究还基本停留在一个局部完善的水平上，而没有达到全面提高的层次。 由于近期研究成果的大量涌现，人们现在对直接转矩控制的认识更加深刻，对各种局部性能的改善也有了更多的选择方案。因此，追求整体性能最优将成为今后直接转矩控制研究的主要方向。通过改进系统各组成环节的内部结构来提高系统性能，其效果是非常有限的，从软件方面着手改进系统将是今后的大势所趋，智能控制会发挥越来越大的作用，成为整个系统的控制核心。近几年发展起来的将神经网络和模糊控制结合起来的神经网络或神经网络模糊控制肯定会成为直接转矩控制的重要手段，用DSP实现的直接转矩控制系统的全数字化也是一个重要的发展方向。 1.3 论文结构 论文的结构
37、安排如下： 第二章：研究交流电机的直接转矩控制原理。首先从分析交流电机的数学原理入手，推导出电机转矩的表达式，然后根据该表达式来分析电机的输出转矩和哪些因素有关。如和定子磁链的幅值、定子磁链和转子磁链之间的夹角等。在随硕士学位论文 7 后的部分对这些因素进行分析，并研究如何来通过控制这些相关量来控制输出的转矩。 第三章：建立了电机的直接转矩控制模型和整车动力学模型。利用电机直接转矩控制模型，根据输出的相应变量的变化情况，就可以进行验证整个直接转矩控制的思想是否正确。并进行了电机模型和整车动力学模型的联合仿真，得到了期望的结果。 第四章：分析了电机及整车总成控制器的硬件结构。包括控制器的选型、D
38、SP技术的简介、DSP 最小系统的构成、CAN 总线部分电路的设计、串口通信部分的设计、A/D 部分的设计、I/O 开关量输入输出部分的设计以及 IPM 介绍和 IPM 驱动部分的设计。构建了整车 CAN 网络和制定整车 CAN 总线通讯协议。 第五章：介绍了再生制动的概念，讨论了再生制动的重要性，分析了再生制动的特性，提出了实现再生制动的方案，最后采用了基于模糊逻辑控制理论再生制动的控制策略。 第六章： 介绍了嵌入式操作系统C/OS-II， 实现了嵌入式操作系统C/OS-II在 DSP2407 上的移植。进行了基于嵌入式操作系统C/OS-II 上的任务的制定。最后完成了程序在离线条件下的调试
39、。 纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 8 第 2 章 直接转矩控制系统的理论分析 直接转矩控制技术是交流电机继矢量控制技术之后又一种高性能控制技术。直接转矩控制技术，是用空间矢量的分析方法直接在定子坐标系中计算与控制交流电动机的转矩，借助于离散的两点式调节产生脉宽调制PWM信号，直接对逆变器的开关状态进行控制，以获得转矩的高动态性能。它省掉了复杂的矢量变换，它的控制思想新颖，控制手段直接，是一种具有高静、动态性能的交流调速方法。为了达到利用“直接转矩控制”的思想来控制交流异步电动机，使交流异步电机的控制更加简单、响应更加迅速，就需要从交流异步电机的数学模型出发，分析在直接转
40、矩控制中所采用的交流异步电机空间矢量等效电路及其数学模型的基本方程。 2.1 异步电动机数学模型分析 交流异步电动机调速一直以来都是电机控制中的一个重要部分， 其控制效果的好坏直接影响到电机最终的运行性能。为把控制变量的瞬态响应和稳态误差限制在要求的范围以内，使控制系统具有较高的品质，必须建立异步电机的数学模型。在此基础之上研究交流调速系统的动、静态特性及其控制理论，以获得最佳的控制方式17。 2.1.1 两相静止（ ）坐标系下异步电机数学模型 异步电机的直接转矩控制是基于定子磁场定向的， 因此要在相应的正交坐标系（坐标系）建立其数学模型。同时异步电机是一个高阶、非线性、强耦合的多变量系统，在
41、分析异步电机的数学模型时，通常作如下的假设18： 1.异步电机的磁路是对称的，不计磁路饱和的影响。 2.电机定转子三相绕组在结构上完全对称，在空间上互差120，不计边缘效应。 3.定转子表面光滑，无齿槽效应，定转子每相气隙磁势在空间上呈正弦分布。 4.磁路饱和、涡流及铁芯损耗均忽略不计。 根据上述假设，三相坐标系下异步电动机数学模型方程式为： 一.电压方程 三相定子绕组电压方程： 硕士学位论文 9 +=+=+=dtdriudtdriudtdriuCCCBBBAAA111 （2.1） 折算到定子侧后三相转子绕组电压方程： +=+=+=+=+=+=dtdriudtdriudtdriucccbbba
42、aa222 （2.2） 式（2.2）中cbaCBAuuuuuu,定子和转子相电压的瞬时值；cbaCBAiiiiii,定子和转子相电流的瞬时值；cbaCBA,定子和转子各相绕组全磁链；21,rr定子和转子绕组电阻。 二.磁链方程 与电机绕组交链的磁通有两类:一类是只与某相绕组交链而不穿过气隙的漏磁通，另一类是穿过气隙的相间互感磁通，后者是磁通的主要成分19。互感磁通又分为两类:(1)定子三相绕组之间和转子三相绕组之间位置是固定的，所以其互感也为常值；(2)定子任一相绕组与转子任一相绕组之间的位置是变化的，所以其互感也是变化的，此互感是角位移的函数。最终每个绕组的磁链值是它本身的自感磁链和其它绕组
43、对它的互感磁链之和。 =cbaCBAcccbcacCcBcAbcbbbabCbBbAacabaaaCaBaACcCbCaCCCBCABcBbBaBCBBBAAcAbAaACABAAcbaCBAiiiiiiLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLLL （2.3） 其中ccbbaaCCBBAALLLLLL,为各相绕组的自感；其余各相为各相绕组之间的互感。 三.运动方程 一般情况下， 分析电力拖动系统时忽略电力拖动系统中的阻转矩阻尼和扭转弹性转矩，得到电力拖动系统的运动方程。 纯电动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 10 dtdnJTTrpLe+=+= （2
44、.4） LT负载阻力转矩；J机组转动惯量；pn极对数 四.转矩方程 首先假定线性磁路、磁动势在空间按正弦分布，在此条件下可得转矩方程为 )120sin()()120sin()(sin)(+=bCaBcAaCcBbAcCbBaApeiiiiiiiiiiiiiiiiiiLnT （2.5） 其中L定子互感；pn电机极对数。 基于以上的分析，在电机直观的三相坐标系数学模型的基础之上建立两相静止（）坐标系下异步电机的数学模型。 一. 电压方程 两相静止坐标系下定子电压方程 +=+=sssssssspiRupiRu （2.6） 转子电压方程 =+=+00rrrrrrrrrpiRpiR （2.7） 二磁链方
45、程 定子磁链方程 +=+=rmsssrmsssiLiLiLiL （2.8） 转子磁链方程 +=+=smsrrsmsrriLiLiLiL （2.9） 三.电磁转矩方程 )(rsrsmpeiiiiLnT= （2.10） 四.运动方程 dtdnJTTrpLe+= （2.11） 此外综合式（2.5）（2.8） ，可以得到两相静止坐标系下异步电机电压电流关系方程式。 +=rrssrrrrmmrrrrrmrmmssmssssiiiipLRLpLLLpLRLpLpLpLRpLpLRuu000000 （2.12） 硕士学位论文 11 式（2.6）（2.12）所用符号解释如下： rrssiiii、定、转子电流,
46、分量； rrss、定、转子磁链,分量； rrssuuuu、定、转子电压,分量； rsRR、定、转子绕组电阻；r转子角速度；p微分算子；mL漏电感； pn极对数；LT负载转矩；J电机转动惯量。 以上完成了异步电机在两相静止坐标系中数学模型的建立， 同时为了方便分析和实现各种控制算法，还需要建立基于空间矢量的异步电机数学模型。 2.1.2 空间矢量表示下的异步电机数学模型 在异步感应交流电动机的数学模型分析中，通常是在两相静止（ ）坐标系下分析研究电机控制各参量的数学关系20；而采用空间矢量的数学分析方法进行电机各参量的关系与位置分析，其将使得各个量之间的关系更加直观简单，并且可以类比、转化为电学
47、中的相关知识进行分析和研究，使问题变得简单明了。 首先引入空间矢量变换定理（Park 变换） ： )()()(32)(3432JcJbaetXetXtXtX+= （2.13） 根据以上定理，得到空间矢量表示下的异步电机数学模型： +=+=rrrsssssjdtdiRdtdiRu0 （2.14） 定子磁链与转子磁链表达式： +=+=rrsmrrmsssiLiLiLiL （2.15） 定子旋转磁场提供的功率： )(23ssssesidtdidtdTP+=+= （2.16） s定子频率（定子磁场旋转频率） 另外还有 )(uussjiiLjdtd+= （2.17） 由此得到下面式（2.18） ： 纯电
48、动汽车交流异步电机及整车总成控制器的开发技术研究 12 =ssussssussLidtdLidtd （2.18） 将式（2.17）代入式（2.15）可得： )(23sssseiiT= （2.19） 为了得到直接转矩控制的直接控制方程式，需要用转子磁链代替定子电流，得出定转子磁链与电机转矩之间的关系。首先由： rusiii+= （2.20） 综合定、转子关系表达式 =rsrusiLLi （2.21） 最终可以得到 )(231rsrseLT= （2.22） 这样就得到了转矩与定、转子磁链之间的关系，为了更直观的体现它们之间的联系，将式（2.21）转化为如下的形式。 sin231rseLT = =
49、（2.23） 其中定子磁链与转子磁链之间的夹角，即磁通角。 式（2.13）（2.23）中：rsusii ,分别为定、转子磁链和电流空间矢量。 式（2.23）就是异步电机直接转矩控制的最根本的理论依据，整个数学、控制模型都是围绕着这个公式展开分析并最终建立起来的。 基于以上对异步电机空间矢量模型的分析， 得出了对应异步感应交流电动机空间矢量的等效电路图如下所示。 图 2.1 异步电机空间矢量等效电路图 硕士学位论文 13 上面得到了空间矢量下的异步电机的数学模型， 下面介绍如何通过这个模型来实现对异步电机的控制。现在的电机控制系统中，逆变器是电机调速中的重要部件，同时也是实现对电机控制的主要手段
50、。如图 2.2 所示为理想电压型逆变器原理图。 图 2.2 电压型理想逆变器 常用的逆变器有三组共六个开关（如图 2.2）组成。其中在双极性调制中，由于同一相下两个开关互逆，所以实际只需要三个独立变量来进行控制。三个开关量共有八种开关状态，如表 2.1 所示。 表 2.1 逆变器开关状态表 工作状态工作状态 零状态零状态 状态状态 1 2 3 4 5 6 7 8 aS 0 0 1 1 1 0 0 1 bS 1 0 0 0 1 1 0 1 开开 关关 组组 合合 cS 1 1 1 0 0 0 0 1 其中cbaSSS,分别代表三相开关电路中上桥臂开关状态。在这八种组合中，当组合为()000与()
